Исходные представления и расчетные соотношения

МДП транзистор – это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на формировании потока основных носителей, протекающего через проводящий канал между областями истока и стока и управляемого электрическим полем. В таком транзисторе под действием электрического поля, создаваемого изолированным управляющим электродом - затвором, изменяется проводимость полупроводника и соответствующий ток в проводящем канале. МДП транзистор является одним из типов полевых транзисторов, в которых используется движение носителей одного знака, по этой причине такие транзисторы униполярными, в отличие от биполярных, в которых носители обоих знаков.

В зависимости от типа проводимости канала различают транзисторы с каналом n- или p- типа. Проводящий канал может быть сформирован как в технологическом процессе изготовления МДП структуры, так и при воздействии на структуру электрического поля, создаваемого затвором. В первом случае это МДП транзистор с встроенным каналом с таким же типом проводимости, что и сильно легированные области истока и стока. В структуре с индуцированным каналом возникновение тока между областями истока и стока возможно при превышении напряжением на затворе определенного порогового значения , при котором ток канале зависит от напряжения на затворе и напряжения между стоком и истоком . В данной расчетной работе в качестве исследуемой структуры рассматривается МДП транзистор с индуцированным - каналом, который формируется в полупроводниковой подложке - типа. Предполагается, что транзистор включен по схеме с общим истоком при отсутствии напряжения между подложкой и истоком. При этом исключается влияние подложки на величину порогового напряжения и упрощаются расчетные соотношения, описывающие зависимости тока в канале от напряжений и .

В основе механизма действия такого транзистора рассматривается эффект поля в МДП структуре, которая состоит из металлического затвора, тонкого диэлектрического слоя толщиной , полупроводниковой подложки с противоположной проводящему каналу типу проводимости и металлического электрода, обеспечивающего омический контакт с подложкой. В зависимости от знака и величины напряжения на затворе относительно подложки различают три режима приповерхностного слоя полупроводника: обеднения носителями заряда, инверсии типа проводимости и обогащения. В полупроводнике - типа при увеличении напряжения на затворе последовательно возникают режимы обеднения и инверсии, последний соответствует формированию в МДП транзисторе индуцированного - канала. Такой режим наступает при величине потенциала на поверхности полупроводника , превышающей пороговое значение

, (4.1)

здесь - тепловой потенциал, - концентрация акцепторов в подложке, - собственная концентрация носителей. Величину порогового напряжения на затворе определяют, исходя из идеализированной структуры транзистора, включающей слой диэлектрика и приповерхностной слой полупроводника, при условии нейтральности суммы всех зарядов в структуре. Как следует из представления о формировании структуры в виде плоского конденсатора, для расчета можно использовать соотношение:

(4.2)

Ввиду сложности проведения количественного анализа зависимости тока в канале МДП транзистора от напряжений на затворе и стоке при расчетах обычно используют простейшую аппроксимацию вольт-амперной характеристики транзистора

Для моделирования и расчета параметров n- канального МДП транзистора обычно используют простейшую аппроксимацию вольт-амперной характеристики в виде:

(4.3)

при (в крутой области стоковой характеристики) и

(4.4)

при (в пологой области),

здесь - напряжение между стоком и истоком, при котором плотность заряда электронов у стока становится очень малой и происходит перекрытие канала. Величина определяется напряжением на затворе:

. (4.5)

Параметр - это удельная крутизна вольт-амперной характеристики МДП транзистора:

, (4.6)

определяемая размерами структуры - длиной и шириной канала , подвижностью электронов в канале : и диэлектрической проницаемостью слоя изолятора между затвором полупроводником:

. (4.7)

При постоянных напряжениях , величина определяет крутизну стоко-затворной характеристики. Для пологого участка стоковой характеристики из (4.4) следует, что

. (4.8)

Для повышения крутизны следует уменьшать толщину подзатворного диэлектрика и длину канала, кроме того, необходимо увеличивать подвижность носителей заряда в канале и его ширину. Подвижность электронов превышает подвижность дырок, следовательно, крутизна -канальных транзисторов больше, чем -канальных, при одинаковых размерах МДП структуры и напряжении на затворе .

В режимах насыщения тока в канале МДП транзистора необходимо учитывать влияние напряжения на стоке на эффективную длину канала

(4.9)

.

Величина характеризует длину перекрытия канала, связанную с толщиной обедненного слоя стокового перехода. Это явление называется эффектом модуляции длины канала.

При проведении расчетов для заданных параметров структуры следует оценить величину и определить значение , при котором толщина обедненного слоя стокового перехода оказывается близкой к длине канала. При этом представленные выше соотношения неприменимы для проведения расчетов, поскольку в этих режимах параметры и характеристики МДП транзистора определяются свойствами короткого канала, которые в данной работе не рассматриваются.

Необходимо особо отметить зависимость электрофизических параметров транзистора от свойств слоя диэлектрика, расположенного под затвором. Увеличение крутизны стоко-затворных (передаточных) характеристик, необходимое для увеличения тока в канале и повышения быстродействия МДП транзисторов, может быть достигнуто при использовании диэлектриков с большими значениями .

Современными методами создания диэлектрических слоев для микроэлектроники удается достигнуть значений . Это позволяет использовать МДП транзисторы с большей толщиной слоя диэлектрика и повышенным напряжением пробоя при необходимых для работы микросхем значениях крутизны стоко-затворных характеристик. Однако для создания таких структур требуется разработка весьма сложных технологических процессов, по этой причине обычно используют диэлектрические слои на основе окиси кремния .